一种具有活化功能的正仲氢催化转化装置及方法与流程

本发明属于氢能应用、液氢生产过程中的仲氢气体分析技术领域，具体涉及一种具有活化功能的正仲氢催化转化装置及方法。

背景技术：

随着全球气候环境保护形势日益严峻，应对气候变化压力持续增大，氢能在世界范围内备受关注，能源供给改革成为当下社会政治、经济、技术关注的热点。根据国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》，预计到2050年，氢能源的需求将是目前的10倍。

氢能利用需要解决制取、储运和应用等一系列问题，而规模化储运则是氢能应用的瓶颈和关键。液氢的体积能量密度是35mpa氢气的3倍，是70mpa氢气的1.8倍。如果通过低成本使用，采取大规模高效液化技术，氢液化的成本将大大降低，则液氢储运成本优势将更加明显。液氢具有携氢密度大、增加车辆(装备)续驶里程、运输成本低、储氢纯度高、液体低压储存和使用安全性好于大规模高压气态形式等优势，氢的大规模供应都是以液氢供应为主，我国氢能的规模化应用也必将沿着这条路线走下去，这也将是解决氢能低成本高效储运及供应的有效途径。

同时，我国目前正在开展载人航天、深空探测、重型运载火箭研制等国家重大专项工程，在该工程研制和应用阶段也将使用大量的液氢。只有具备先进的氢液化系统设计制造能力，才能稳步、安全地开展后续的重大工程项目。

氢气的液化温度很低，只有将氢气冷却到一定温度以下，才能将其液化，但是氢气的冷却液化过程需要耗费大量的能量，导致液化效率低和能耗大的缺陷。

氢为双原子分子，两个氢原子核是绕轴自转的。根据两个核自旋的相对方向，氢分子可分为正氢和仲氢。通常的氢是这两种形式氢分子的混合物，正仲氢的平衡浓度仅与温度有关，不同温度下正仲氢浓度达到稳定平衡的氢气称为平衡氢。室温以上的温度时，含正氢75％，仲氢25％。液氢饱和温度20.4k下，仲氢的平衡浓度为99.82％。氢液化过程中的正仲转化是一放热反应，转化中放出的热量与转化时的温度有关。为减少正仲氢转化放热造成的液氢储存蒸发损失，一般要求液氢产品中仲氢含量在95％以上。

因此，氢液化的主要指标之一是仲氢含量，须根据工艺要求进行仲氢含量的测定。仲氢含量测定的关键是需要配备一个正仲氢转化装置，内含催化剂，以获得特定温度下的仲氢含量，作为标准样品，与液氢样品使用热导气相色谱分析方法进行分析测定，用标准曲线法或计算系数法计算出样品中仲氢含量。另外在一些科学研究中，也需要得到不同仲氢含量的氢气样品，供研究试验使用。

目前，现有专利(zl201320161523.5)提出了一种正仲氢转化装置，该装置在使用过程中，存在两个影响仲氢含量结果的问题。

一是，催化剂活化后密封问题。催化剂使用中，无论是由于误操作还是长期使用而导致催化效率下降时，均需要重新活化才能进行后续的使用，但是该专利中，催化剂活化时，需要将整个装置从原系统中拆下，然后连接到活化专用的气路中，使用加热炉加热，活化6h以上，降温到室温后才能进行拆除，并重新安装到测定系统中。该拆除过程，若动作慢、密封工作做得不好，转化柱内进入了过多的空气，会导致催化剂转化效率低，不能正常使用。

二是，使用过程中，浸泡不当引起催化剂效率下降或失效。该装置需由人工手动将转化柱浸泡到液氮中，人工浸泡过程，对气体流速或降温速率，无法实现精准控制，如果浸泡过快，则会导致空气倒吸，影响催化剂效率，从而会导致当前操作失效，需要将催化剂活化后才能重新进行转化操作；然缓慢浸泡的速度虽然可以通过观察流速来控制，但是人工操作，主观因素影响较大，对人员的熟练程度要求很高，通常会对仲氢含量的测定结果造成很大的影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提出了一种具有活化功能的正仲氢催化转化装置及方法，通过将正仲氢转化装置与活化装置一体化，免除正仲氢转化剂(正仲氢催化剂)活化时将正仲氢转化装置拆装的步骤，保证活化后的正仲氢转化催化剂仍然在该密闭系统中防止接触空气，保证活化操作的有效性以及使用状态切换的灵活性；通过设置流量下限，自动装置远程精准控制正仲氢转化装置在预冷介质中的下降速率，防止空气倒吸。

根据本发明的一方面，提出了一种具有活化功能的正仲氢催化转化装置，所述装置包括：正仲氢转化装置、保温容器、容器盖、加热棒、升降马达、升降杆、真空泵和真空连接管路；其中，所述正仲氢转化装置、加热棒、升降马达固定安装在所述容器盖上，所述正仲氢转化装置和加热棒固定安装在所述容器盖的下方，所述升降马达通过所述升降杆固定安装在所述容器盖的上方；所述正仲氢转化装置通过所述真空连接管路与所述真空泵相连接；所述保温容器设置在所述容器盖下方，且容纳所述正仲氢转化装置和加热棒。

在一种可能的实现方式中，所述正仲氢转化装置包括：气体入口管路、流量调节阀、电子流量计、第一截止阀、穿板接头、预冷管路、转化柱、正仲氢催化转化剂、预冷介质辅助加入口、温度传感器、气体出口管路、第三截止阀、设置在所述真空连接管路上的第二截止阀；

所述气体出口管路经过所述第三截止阀接入所述正仲氢转化装置出口；所述气体入口管路依次经所述流量调节阀、电子流量计、第一截止阀通过穿板接头与所述预冷管路相连接；所述温度传感器与所述转化柱通过所述容器盖穿孔相连接，所述转化柱的下方填充有所述正仲氢催化转化剂，所述预冷管路缠绕在所述转化柱的表面，且所述预冷管通过所述转化柱的底部穿孔与所述转化柱连接。

在一种可能的实现方式中，所述容器盖由保温耐低温材质制成，且其表面上设置有加热棒穿孔、转化柱穿孔、穿板接头穿孔以及与所述升降马达相连接的固定座。

在一种可能的实现方式中，所述容器盖表面上还设置有预冷介质辅助加入口穿孔，用于向所述保温容器内注入预冷介质。

在一种可能的实现方式中，所述保温容器为1个或多个；当所述保温容器为多个时，所述保温容器包括耐热容器和耐低温容器。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：显示器和控制系统；

其中，所述控制系统与所述加热棒、升降马达、温度传感器、电子流量计和真空泵电连接，所述显示器用于显示电子流量计测得的气体流量、温度传感器检测的转化柱温度，以及所述正仲氢催化转化自动装置的工作参数。

在一种可能的实现方式中，所述控制系统包括触屏控制和按键控制。

在一种可能的实现方式中，所述升降马达为台式马达、吊顶式马达或侧挂式马达，且具备旋转功能。

在一种可能的实现方式中，所述加热棒的形状为直杆式、u型、盘状中的任一种；所述第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀为针型阀或球阀。

根据本公开的另一方面，提出了一种具有活化功能的正仲氢催化转化方法，所述方法包括：

在室温条件下，将氢气连入气体入口管路，关闭第二截止阀，打开第一截止阀和第三截止阀，调节流量调节阀使氢气达到预设值，吹扫所述正仲氢转化装置一定时间；

控制所述容器盖上升到上限高度，所述转化柱在所述保温容器口的上方，向所述保温容器注入预冷介质；控制所述容器盖下降，在所述容器盖下降到盖上所述保温容器的过程中，保证所述氢气流量高于预设流量下限值；当容器盖下降至下限高度，且温度传感器的温度达到稳定后，利用温度传感器检测所述保温容器的温度，当所述温度传感器显示的温度高于所述预冷介质的温度在1度以上，通过预冷介质辅助加入口补充预冷介质，使所述保温容器降温至所述预冷介质的温度；当经所述气体出口管路的氢气中的仲氢含量达到所述预冷介质的温度对应的值，即完成正仲氢的转化；

控制所述容器盖上升到上限高度，倒掉所述保温容器内的预冷介质，关闭第二截止阀，打开第一截止阀和第三截止阀，将氢气连入气体入口管路吹扫所述正仲氢转化装置，使所述保温容器和正仲氢转化装置复温至室温。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：当所述正仲氢催化转化剂的催化转化效率下降时，对所述正仲氢催化转化剂进行活化；

对所述正仲氢催化转化剂进行活化，包括：将氢气连入气体入口管路，关闭第二截止阀，打开第一截止阀和第三截止阀，调节流量调节阀使氢气达到预设值，吹扫所述正仲氢转化装置一定时间后，依次关闭第一截止阀、第三截止阀和流量调节阀，打开第二截止阀，控制真空泵对所述正仲氢催化转化装置抽真空，启动所述加热棒加热到预设温度时，停止所述加热棒，关闭第二截止阀，控制所述容器盖上升到上限高度，当所述保温容器中的温度达到室温时，停止所述真空泵，依次打开第一截止阀和流量调节阀，通过所述气体入口管路充入氢气，当所述正仲氢催化转化剂活化结束时，关闭第一截止阀和流量调节阀。

在一种可能的实现方式中，所述预冷介质为冰水混合物、液化天然气、丙烷、液氨、液态二氧化碳、液氧、液氮中的至少一种。

本公开的具有活化功能的正仲氢催化转化装置，包括正仲氢转化装置、保温容器、容器盖、加热棒、升降马达、升降杆、真空泵和真空连接管路；其中，正仲氢转化装置、加热棒、升降马达固定安装在容器盖上，正仲氢转化装置和加热棒固定安装在容器盖的下方，升降马达通过所述升降杆固定安装在容器盖的上方；正仲氢转化装置通过真空连接管路与真空泵相连接；保温容器设置在容器盖下方，且容纳正仲氢转化装置和加热棒。能够通过将正仲氢转化装置与活化装置一体化，免除正仲氢催化剂活化时将正仲氢转化装置拆装的步骤，保证活化后的催正仲氢化剂仍然在该密闭系统中防止接触空气，保证活化操作的有效性以及使用状态切换的灵活性；通过设置流量下限，自动装置远程精准控制正仲氢转化装置在预冷介质中的下降速率，防止空气倒吸。能够高效、快速的通过催化转化得到不同仲氢含量的氢气样品，并在必要时进行催化剂的活化，操作便捷，可靠性高，利于推广。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的具有活化功能的正仲氢催化转化装置结构示意图；

图2示出根据本公开另一实施例的具有活化功能的正仲氢催化转化装置的容器盖的结构图；

图3示出根据本公开一实施例的具有活化功能的正仲氢催化转化方法过程示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的具有活化功能的正仲氢催化转化装置结构示意图。

如图1所示，该装置可以包括所述装置包括：正仲氢转化装置、保温容器21、容器盖16、加热棒24、升降马达9、升降杆12、真空泵23和真空连接管路17。正仲氢转化装置、加热棒24、升降马达9固定安装在容器盖16上，正仲氢转化装置和加热棒24固定安装在容器盖16的下方，升降马达9通过升降杆2固定安装在容器盖16的上方；正仲氢转化装置通过真空连接管路17与真空泵23相连接；保温容器21设置在容器盖16下方，且容纳正仲氢转化装置和加热棒24。

另外，该装置还可以包括显示器和控制系统(图1中均为示出)。其中控制系统由控制集成电路实现。控制系统可以通过加热棒信号线1与加热棒24电连接、升降马达信号线2与升降马达9电连接、温度传感器信号线3与温度传感器13电连接、电子流量计信号线10与电子流量计8，以及真空泵电源信号线20与真空泵23电连接。其中，控制系统可以为触屏控制，也可以为按键控制，通过触屏或按键操作发出指令，使该装置自动进行相应的操作。

显示器可以用于显示电子流量计8测得的气体流量、温度传感器13检测的转化柱22温度，以及正仲氢催化转化自动装置的工作参数等，向自动控制系统提供相应的参数，以便于更精确的控制正仲氢催化转化装置。

图2示出根据本公开另一实施例的具有活化功能的正仲氢催化转化装置的容器盖的结构图。

如图2所示，容器盖16由保温耐低温材质制成。容器盖16的表面上设置有预冷介质辅助加入口14穿孔、加热棒24穿孔、转化柱22穿孔、穿板接头15穿孔以及与升降杆12相连接的固定座，其中预冷介质辅助加入口穿孔用于向所述保温容器内注入预冷介质。

其中，如图1所示，正仲氢转化装置包括气体入口管路7、流量调节阀6、电子流量计8、第一截止阀11、穿板接头15、预冷管路18、转化柱22、正仲氢催化转化剂25、温度传感器13、气体出口管路5、第三截止阀4、设置在真空连接管路17上的第二截止阀19。

气体出口管路5经过第三截止阀4接入转化柱22出口。气体入口管路7依次经流量调节阀6、电子流量计8、第一截止阀11通过穿板接头15与预冷管路18相连接；温度传感器13与转化柱22通过容器盖16穿孔相连接，转化柱22的下方填充有正仲氢催化转化剂25，预冷管路18缠绕在转化柱22的表面，且预冷管18通过转化柱22的底部穿孔与转化柱22连接。

在一示例中，保温容器21可以为1个或多个，当保温容器21为多个时，保温容器21可以包括耐热容器和耐低温容器。

例如，保温容器21的保温范围为-200℃～150℃。保温容器21为一个时，即为耐热耐低温容器。保温容器21为多个时，可以包括耐热容器和耐低温容器两种。耐热容器用于正仲氢催化剂活化，耐低温容器用于正仲氢降温转化操作。通过给加热棒加热，或向容器中加入预冷介质，来获得保温容器21的不同温度条件。其中，预冷介质可为冰水混合物，lng(liquefiednaturalgas，液化天然气)、丙烷、液氨和液态二氧化碳，液氧，液氮中的至少一种。

在一示例中，升降马达9为台式马达、吊顶式马达或侧挂式马达，且升降马达具备旋转功能；加热棒24的形状为直杆式、u型、盘状中的任一种；第一截止阀11、第二截止阀19和第三截止阀4为针型阀或球阀等有节流功能的阀门。升降马达9和截止阀19的型号在此不作一一限定，加热棒24的形状也不做一一限定，只要符合该装置的需要即可。

通过将正仲氢转化装置、加热棒24、升降马达9固定安装在容器盖16上，正仲氢转化装置和加热棒24固定安装在容器盖16的下方，升降马达9通过升降杆12固定安装在容器盖16的上方；正仲氢转化装置通过真空连接管路17与真空泵23相连接；保温容器21设置在容器盖24下方，且容纳正仲氢转化装置和加热棒24。能够通过将正仲氢转化装置与活化装置一体化，免除正仲氢催化剂活化时将正仲氢转化装置拆装的步骤，保证活化后的催正仲氢化剂仍然在该密闭系统中防止接触空气，保证活化操作的有效性以及使用状态切换的灵活性；通过设置流量下限，自动装置远程精准控制正仲氢转化装置在预冷介质中的下降速率，防止空气倒吸。能够高效、快速的通过催化转化得到不同仲氢含量的氢气样品，并在必要时进行催化剂的活化，操作便捷，可靠性高，利于推广。

本公开还提供了一种具有活化功能的正仲氢催化转化方法，可以高效、快速得到不同仲氢含量的氢气样品，并能进行催化剂的活化。

图3示出根据本公开一实施例的具有活化功能的正仲氢催化转化方法过程示意图。如图3所示，该方法可以包括：氢气吹扫正仲氢转化装置，降温至预冷介质温度进行转化，复温三个过程，则具体过程分别为：

在室温条件下，将氢气连入气体入口管路7，关闭第二截止阀19，打开第一截止阀11和第三截止阀4，调节流量调节阀6使氢气达到预设值，吹扫正仲氢转化装置一定时间；

输入控制命令，控制容器盖16上升到上限高度，转化柱22在保温容器21口的上方(转化柱22完全升出保温容器21口的上方)，向保温容器21注入预冷介质；通过显示器向控制系统输入控制命令，控制容器盖16下降，在容器盖16下降到盖上保温容器21的过程中，保证氢气流量高于预设流量下限值；利用温度传感器13检测保温容器21的温度，当保温容器21的温度高于预冷介质的温度在1度以上，通过预冷介质辅助加入口15补充预冷介质，使保温容器21降温至预冷介质的温度，当经所述气体出口管路的氢气中的仲氢含量达到所述预冷介质的温度对应的值，即完成正仲氢的转化，可以保持该状态进行对应的应用，比如进行仲氢含量测定。

其中，预冷介质为冰水混合物、液化天然气、丙烷、液氨、液态二氧化碳、液氧、液氮中的至少一种，在此不做一一限定。

举例来说，在容器盖16缓慢下降过程中，下降速率与电子流量计8的显示值连锁，确保氢气流量一直高于设定的流量下限。如果低于设定流量下限，立即上升到氢气流量到达设定上限后再缓慢下降，如此反复，直至容器盖16完全盖上保温容器21。

利用显示屏(图中未示出)观察温度传感器13的温度值，若温度值高于预冷介质温度1℃以上，则从预冷介质辅助加入口14中补充预冷介质，直到保温容器21的温度值接近预冷介质的温度并趋于稳定时，以供后续使用。

通过升降马达9在保温容器21中的下降速率与通过正仲氢转化装置的氢气流量相关联，能够精准控制升降马达9的下降速率，防止空气倒吸。

控制容器盖16上升到上限高度，倒掉保温容器21内的预冷介质，关闭第二截止阀19，打开第一截止阀11和第三截止阀4，将氢气连入气体入口管路7吹扫正仲氢转化装置，使所述保温容器和正仲氢转化装置自然复温至室温，达到复温目的。

通过设置流量下限值，升降马达在低温容器中的下降速率与通过正仲氢转化装置的氢气流量相关联，能够使得自动控制程序精确控制正仲氢转化装置在预冷介质中的下降速率防止空气倒吸。

此外，当正仲氢催化转化剂25经过长期使用或误操作导致的催化转化效率下降时，该方法可以对正仲氢催化转化剂25进行活化操作，具体操作为：

将氢气连入气体入口管路7，关闭第二截止阀19，打开第一截止阀11和第三截止阀4，调节流量调节阀6使氢气达到预设值，吹扫正仲氢转化装置一定时间，依次关闭第一截止阀11、第三截止阀4和流量调节阀6，将容器盖16盖上，打开第二截止阀19，控制真空泵23对正仲氢催化转化装置的转化柱22抽真空，启动加热棒24加热到预设温度时，保持恒温6h，停止加热棒24，关闭第二截止阀19，控制容器盖16上升到上限高度，当保温容器21中的温度达到室温时，停止真空泵23抽真空，依次打开第一截止阀11和流量调节阀6，通过气体入口管路7充入氢气，当正仲氢转化剂25活化结束时，关闭第一截止阀11和流量调节阀6。

举例来说，利用显示器向自动控制系统输入控制命令，使容器盖16下降至空的保温容器21中，直至完全盖好。将氢气连入气体入口管路7，关闭第二截止阀19，打开第一截止阀11、第三截止阀4和调节流量调节阀6，调节氢气流量至所需值，使氢气吹扫一定时间。同时对各个管件接口处进行检漏，确保密封性后，依次关闭第三截止阀4、第一截止阀11、流量调节阀6，输入启动真空泵23的控制命令，运行真空泵23，然后开启第二截止阀19。通过输入加热加热棒24的控制命令，使加热棒24开始加热，在加热过程中，加热棒24的启停工作与温度传感器13的温度关联，在达到设定的温度时停止加热，低于设定温度一定差距开始加热。活化结束时，先控制加热棒24停止工作，关闭第二截止阀19，控制容器盖16上升至设定上限高度，待温度传感器13温度达到室温时，停止真空泵23，依次开启流量调节阀6、第一截止阀11充入氢气，活化结束，依次关闭流量调节阀6和第一截止阀11。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。